船閘作為一種通航建筑物，需要實(shí)現(xiàn)安全、快速放行船舶，為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，就需要對(duì)船閘的相關(guān)設(shè)施進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，利用新技術(shù)對(duì)船閘的運(yùn)行調(diào)度進(jìn)行 自動(dòng)化、智能化、規(guī)范化改造。船閘運(yùn)行是按一定的邏輯步驟進(jìn)行的，即當(dāng)船只從上游經(jīng)閘室往下游運(yùn)行時(shí)，閘室和上游的水位相同，船只進(jìn)入閘室后關(guān)閉上游閘 門，開(kāi)啟下游船閘的左右輸水閥門，閘室水位隨之下降，待閘室水位與下游水位平齊，打開(kāi)下游閘門，船舶出閘，然后開(kāi)始下一流程，此運(yùn)行流程即結(jié)束。

　　【摘要】船閘是通航建筑物中的重要設(shè)施，它的可靠性和運(yùn)行效率將會(huì)直接影響到航運(yùn)安全和運(yùn)輸效率。本文針對(duì)船閘的基本特點(diǎn)，采用粒子群優(yōu)化算法原理，結(jié)合Abaqus有限元計(jì)算軟件，調(diào)用參數(shù)化模型和自動(dòng)剖分程序，以混凝土方量最少為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行船閘結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

　　【關(guān)鍵詞】機(jī)電論文發(fā)表,船閘,自動(dòng)控制程序,設(shè)計(jì)

　　1船閘自動(dòng)控制程序設(shè)計(jì)原理

　　船閘是由閘室、閘門、引航道，運(yùn)行系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、指示系統(tǒng)組成。以一級(jí)船閘為例，運(yùn)行流程分為八個(gè)步驟，分別是：開(kāi)上游閥門、開(kāi)上游閘門、關(guān)上游閥門、關(guān)上游閘門、開(kāi)下游閥門、開(kāi)下游閘門、關(guān)下游閥門、關(guān)下游閘門。

　　船閘控制系統(tǒng)通常有程控/現(xiàn)地電氣控制系統(tǒng)，是一個(gè)典型的工業(yè)控制系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)優(yōu)化電氣控制系統(tǒng)優(yōu)化，宿遷三號(hào)船閘采用plc自控系統(tǒng)，由上、下 游五臺(tái)PLC控制柜、三個(gè)操作臺(tái)、五只端子箱、4臺(tái)備用動(dòng)力箱組成。集控室安裝一個(gè)操作臺(tái)，四閘首機(jī)房各安裝一端子箱和備用動(dòng)力箱，主要包含以下幾個(gè)方 面：

　　1.1電源配置及動(dòng)力設(shè)備。

　　電控系統(tǒng)的總進(jìn)線電源為雙路400V電源輸入，1路投入為整個(gè)系統(tǒng)提供電源，另1路為備用電源，備用電源可在主電源中斷時(shí)自行切換投入。二次回 路的電源均采用安全、穩(wěn)定的UPS供電方式，UPS的輸入電源從三相電中抽出一相獲得。UPS的電源輸出主要是為現(xiàn)地系統(tǒng)提供AC220V的控制回路電源 以及為直流整流裝置提供電源。

　　1.2現(xiàn)地控制系統(tǒng)

　　現(xiàn)地控制系統(tǒng)由三部分組成：上位機(jī)系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、LCU系統(tǒng)。

　　1.3上位機(jī)系統(tǒng)

　　上位機(jī)就是使用工業(yè)組態(tài)軟件編寫生產(chǎn)工藝流程，以達(dá)到直觀、清晰的顯示現(xiàn)場(chǎng)工藝流程的效果，工業(yè)控制組態(tài)軟件是可以從可編程控制器、各種數(shù)據(jù)采集卡等設(shè)備中實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，方便地構(gòu)成監(jiān)控畫(huà)面和實(shí)現(xiàn)控制功能，并可以生成報(bào)表、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)等。

　　2船閘優(yōu)化設(shè)計(jì)的具體

　　中國(guó)是建造船閘最早的國(guó)家。歷史上就有秦始皇三十三年興建的靈渠上陡門就是利用單閘首上的閘門以調(diào)整門前后的水位差，達(dá)到船舶克服水位差實(shí)現(xiàn)通 航。宋代雍熙年間在西河建造了設(shè)有輸水設(shè)備的陡門，是現(xiàn)代船閘的雛形。在美國(guó)、德國(guó)、前蘇聯(lián)和中國(guó)等國(guó)家都建有大量現(xiàn)代化船閘。中國(guó)目前最大的船閘是葛洲 壩船閘，閘室長(zhǎng)280米、寬34米、門檻水深5米。從這個(gè)情況，可以看出，船閘的程序化發(fā)展是在一步步進(jìn)行的，那么怎樣對(duì)船閘自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，措 施如下：

　　程序優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，一般只需考慮用戶程序的設(shè)計(jì)。要注意對(duì)輸入和輸出信號(hào)，特別是輸出信號(hào)要作統(tǒng)一操作，掃描周期時(shí)間要控制合理，定時(shí)器的時(shí)間設(shè)定值不能小于周期掃描時(shí)間。用戶程序中如果多次對(duì)同一參數(shù)進(jìn)行賦值操作，則最后一次操作結(jié)果有效。

　　2.1參數(shù)的優(yōu)化

　　結(jié)合現(xiàn)有的船閘工程施工圖紙，首要任務(wù)是對(duì)閘首結(jié)構(gòu)的基本形狀和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析總結(jié)，提取出閘首最基本的實(shí)體結(jié)構(gòu)模型，包括：輸水廊道、門庫(kù)、空 箱、閥門啟閉機(jī)、閥門井、閘門啟閉室、閘門及閘門門軸。用基本參數(shù)確定閘首的實(shí)體結(jié)構(gòu)，通過(guò)Vb可視化界面輸入基本參數(shù)完成建模。然后由船閘設(shè)計(jì)規(guī)范知， 船閘廊道尺寸是由水力學(xué)特性設(shè)計(jì)規(guī)范求得，因此不作為設(shè)計(jì)變量。根據(jù)船閘工程地質(zhì)資料和地基開(kāi)挖狀況，可確定船閘模型的外輪廊尺寸，表達(dá)外輪廓尺寸的基本 參數(shù)可以不作為設(shè)計(jì)變量得使用。

　　根據(jù)船閘結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從最大限度地減少混凝土用量的角度出發(fā)，優(yōu)化設(shè)計(jì)變量選定為部分矩形空箱的尺寸和部分高程尺寸，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)變量原始參數(shù)和變化范圍。

　　2.2粒子群優(yōu)化

　　粒子群優(yōu)化是根據(jù)PSO算法的原理，它指得是：群體中的每個(gè)個(gè)體都有一個(gè)速度（反映位置的改變），粒子根據(jù)速度在搜索空間運(yùn)動(dòng)，而且每個(gè)個(gè)體都 有一個(gè)記憶單元，記下它曾經(jīng)到達(dá)過(guò)的最優(yōu)位置，整個(gè)尋優(yōu)過(guò)程就是個(gè)體根據(jù)自己先前到達(dá)過(guò)的最優(yōu)位置和其鄰域中其他個(gè)體到達(dá)過(guò)的最優(yōu)位置來(lái)改變自己的位置和 速度，從而趨向全局最優(yōu)值的聚集一個(gè)加速過(guò)程。

　　2.3網(wǎng)格自動(dòng)剖分

　　根據(jù)船閘閘首結(jié)構(gòu)特征，按照網(wǎng)格劃分的原則，確定不同的網(wǎng)格分份參數(shù)，并確定分份比例，各個(gè)塊的網(wǎng)格分份參數(shù)和比例必須是獨(dú)立的，從而建立有限 元網(wǎng)格數(shù)據(jù)。一組獨(dú)立的參數(shù)來(lái)表示各個(gè)塊體3個(gè)方向的剖分份數(shù)，設(shè)置參數(shù)時(shí)要考慮塊體之間的銜接，也就是說(shuō)塊體在公共邊方向的份數(shù)要相同。

　　也可以利用Fortran語(yǔ)言編制網(wǎng)格剖分程序。將每個(gè)塊的分份參數(shù)和分份比例導(dǎo)入，從而得到節(jié)點(diǎn)和單元的有限元數(shù)據(jù)。將節(jié)點(diǎn)信息和單元信息導(dǎo) 入有限元計(jì)算軟件Abaqus當(dāng)中，得到船閘閘首結(jié)構(gòu)的有限元模型。根據(jù)船閘的結(jié)構(gòu)形式建立幾何約束，滿足船閘設(shè)計(jì)規(guī)范所規(guī)定的各種荷載作用下的應(yīng)力約 束，主拉應(yīng)力和主壓應(yīng)力不能超過(guò)相應(yīng)的容許值（各不同工況的容許應(yīng)力可以有所不同）；船閘設(shè)計(jì)規(guī)范所規(guī)定的各種荷載作用下穩(wěn)定約束，其中包括抗滑穩(wěn)定約 束、抗傾穩(wěn)定約束、抗浮穩(wěn)定約束。

　　本文以船閘經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，即滿足約束條件的前提下，船閘閘首混凝土體積最小F（x）→min。不同尺寸的船閘結(jié)構(gòu)的混凝土方量可在Abaqus計(jì)算結(jié)果文件當(dāng)中直接提取。

　　2.4模型材料參數(shù)及計(jì)算工況

　　船閘是對(duì)稱結(jié)構(gòu)形式，計(jì)算中取模型的一半計(jì)算，閘首地基的水平范圍可取閘首底部輪廓寬度的2～4倍，地基深度可取閘首底部輪廓寬度的 1.0～1.5倍。地基基礎(chǔ)為巖石，部分空箱回填砂礫石，閘首結(jié)構(gòu)采用C25混凝土。計(jì)算工況首先應(yīng)計(jì)算工況的荷載水位情況，水位組合。正常蓄水位運(yùn)行期 工況，上游設(shè)計(jì)水位+相應(yīng)下游水位+揚(yáng)壓力+邊墩、底板等自重+回填土壓力及地面活荷載，完建工況：邊墩、底板等自重+回填土壓力及地面活荷載。檢修工 況：揚(yáng)壓力+邊墩、底板等自重+回填土壓力及地面活荷載。當(dāng)然，已不能忽視這其中的一些特殊工況，比如上游洪水位+相應(yīng)下游水位+揚(yáng)壓力+自重+回填土壓 力及地面活荷載。只有做到細(xì)節(jié)處才能保證系統(tǒng)更加將健全完善。

　　2.5優(yōu)化結(jié)果比對(duì)

　　優(yōu)化成果對(duì)比和應(yīng)力變形分析首先提取優(yōu)化后該船閘有限元模型地基和閘首結(jié)構(gòu)。提取船閘優(yōu)化后設(shè)計(jì)變量和目標(biāo)函數(shù)，與初始參數(shù)進(jìn)行比較。經(jīng)過(guò)比較之后的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)船閘優(yōu)化后混凝土用量減少6.57%。

　　通過(guò)程序優(yōu)化后的船閘模型參數(shù)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)廊道上部的實(shí)體層厚度廊道頂高程明顯變薄，厚度減小0.9m；1#空箱順?biāo)�流向可加�?.2m，橫河向長(zhǎng)度可加大0.3m；6#啟閉器空箱尺寸可以適當(dāng)加大，從而減少混凝土用量。

　　2.6完善工況

　　完建工況，檢修工況時(shí)產(chǎn)生的拉應(yīng)力較大，就完建工況進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變成果分析，從閘首結(jié)構(gòu)主拉應(yīng)力、主壓應(yīng)力分布云圖中可以看出，船閘結(jié)構(gòu)總體受 壓，船閘閘首頂部、廊道出入水口、廊道拐角處、門庫(kù)與側(cè)壁的結(jié)合處、空箱內(nèi)壁等區(qū)域出現(xiàn)不同程序的主拉應(yīng)力區(qū)，主拉應(yīng)力極值出現(xiàn)在廊道與側(cè)壁的連接處的頂 部，量值不大，為0.938MPa；主壓應(yīng)力的極值為2.304MPa，發(fā)生在廊道與側(cè)壁的拐角處的頂部。

　　3總結(jié)

　　目前船閘控制系統(tǒng)還在繼續(xù)優(yōu)化中。相似的系統(tǒng)已在運(yùn)河線船閘建設(shè)中投入運(yùn)行。本系統(tǒng)實(shí)施過(guò)程中將吸收類似系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，逐步改進(jìn)，使其更加完善。

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